用於熱控制的熱分布組件、系統和方法
2023-10-04 13:03:19 3
專利名稱：用於熱控制的熱分布組件、系統和方法
技術領域：
本發明涉及對電子設備的冷卻，並且特別地，涉及一種增強對高功率耗散設備的冷卻能力的冷卻結構和製造這種冷卻結構的方法。
背景技術：
現代的電子設備，諸如那些具有增長的功率密度、工作頻率和電流洩漏的設備，以及具有小的冷卻流體熱預算或具有很高平均功率通量的設備，不斷地需要改進的熱結構以便提供增強的熱容量。例如，在具有高平均功率通量的電子設備中，高功率熱點(hot spot)可能耗散200至500W/cm2，而很高功率的熱點的耗散可能超過500W/cm2。在這樣的處理條件下，諸如散熱器、散熱片和相關聯的熱接觸面之類的傳統熱技術將不合要求地增加功率通量並且沿著冷卻軸生成高的熱梯度。
為了解決與這些高的熱梯度相關聯的問題，已經在本領域引入基於單相快速強迫對流和/或兩相蒸發的具有循環流體的設備。這些類型的冷卻設備一般包括具有許多用於衝擊目標表面的液體噴嘴的主體，以及用於從冷卻設備主體與目標表面之間移除廢流體的橫向排出口(drain)。如此，流體噴嘴陣列的高動能提供緊密靠近該表面的流體，以便實現對目標特別是在噴嘴所衝擊的位置處的高的冷卻速率。然而，在非直接位於被衝擊的表面區域下方的表面區域中，這種高的加熱/冷卻轉移速率迅速下降，其導致對目標的不均勻冷卻。同樣，橫向排出口以徑流模式從流體噴嘴移走廢流體，其在噴嘴陣列外圍處具有最大速度，並且因此不適合用於冷卻高功率通量的情形。
當前的流體噴嘴陣列還需要高的流體流動速率，其反過來導致產生不希望的冷卻器上壓降的增加。已知的循環冷卻流體的解決方案還具有最大工作壓力以便防止流體洩漏和對系統的機械損害。因為增加流體速度一般將增加冷卻能力，所以在傳統冷卻設備中為了提供諸如高於400W/cm2的高的冷卻能力而增加流體速度將產生有害的超過設備壓力極限的高工作壓力。同樣地，操作具有高功率通量情形的現代電子設備所需要的壓降限制了傳統冷卻設備的可擴展性。
由此，在本技術領域中繼續存在對改進的熱組件以及製作這種組件的方法的需求，其使用於冷卻/加熱具有高功率通量的部件的流體噴嘴陣列的熱轉移速率最大化，同時能控制冷卻組件中的流體壓降。
發明內容
記住現有技術的問題和不足，由此本發明的目的是提供優化了的熱流體組件(thermal fluid asssembly)以及製作這種組件的方法，其具有供在高功率通量情形中使用的增強的冷卻能力。
本發明的另一目的是提供熱流體組件和製作這種組件的方法，其使熱轉移速率最大化，同時實現低壓降。
本發明的另一目的是提供熱流體組件和製作這種組件的方法，其具有均勻的熱轉移速率能力，該熱轉移速率能力不依賴於被冷卻的熱生成主體的表面的形狀和尺寸。
本發明的另一目的是提供熱流體組件和製作這種組件的方法，其是一致的、可靠的、時間效率高的和有成本效益的。
本發明的又一目的是提供熱流體組件和製作這種組件的方法，其能夠以高於大約400W/cm2的速率和低於10磅/平方英寸的總內部液壓降來進行冷卻。
根據說明書，本發明的其他目的和優點在某種程度上將是明顯的並且在某種程度上將是顯而易見的。
本發明實現了上面的目的以及其他目的，其對於本領域的普通技術人員來說是顯而易見的，本發明專注於用於對基板的熱控制的分布組件。該組件包括在其暴露的表面區域上具有預定的表面特性的板和連接到該板的管道。該管道具有微噴嘴陣列和分布的排出口。在管道與板和表面特性的暴露的表面區域之間存在一個腔。微噴嘴陣列噴射流體，由此在腔內特別是在腔的壁噴嘴區內，預定的表面特性延緩流體的速度衰減，從而增強了組件的熱控制。
在本發明的這個方面，管道和板可以由具有一致的熱膨脹係數的材料組成。板和表面特性可以是整體的單片結構，或者它們可以是兩個彼此連接的並且由具有一致的熱膨脹係數的材料組成的兩個不同部件。儘管板可以是冷卻板或者是加熱板，然而本公開的隨後的正文將只參考該設備的冷卻方面，這主要是為了簡化其描述，但是應當理解相同的設備細節也適用於加熱問題。可以將管道連接到板以提供完全封裝的熱分布組件。也可以將熱生成部件連接到板以便控制其溫度。在本發明中，被暴露給衝擊流體噴嘴速度的板的預定的表面特性的表面區域越大，該組件的熱控制的速率就越高。同樣，以下是至關重要的預定的表面特性位於板的暴露的表面區域上這樣的位置，以致這些表面特性不會破壞由從微噴嘴陣列噴出的流體所創建的循環圖案。
管道優選地包括多個網眼(cell)，由此每個網眼包括基本上位於其中央的微噴嘴和分布的排出口網絡。預定的表面特性還具有對應於這多個網眼的配置，以致該表面特性不幹擾從微噴嘴陣列噴射的流體。根據本發明，板的預定的表面特性可包括多個與管道的各個網眼對準的圓形腔，帶有向內凸出的翼片的圓形腔、多個翼片圖案、甚或它們的組合以滿足所期望規範。
在另一方面，本發明專注於一種用於熱傳遞的系統。該系統包括具有需要調節溫度的基板和連接到該基板的冷卻板。該冷卻板具有帶有預定的表面特性的暴露的表面區域。管道被連接到該冷卻板，由此該管道具有微噴嘴陣列和分布的排出口。在該管道與該冷卻板的暴露的表面區域之間存在一個腔，由此微噴嘴陣列將流體噴射入該腔中以便衝擊這個暴露的表面區域。該表面特性延緩流體的速度衰減，從而增強對該冷卻板的熱控制。通過增強對該冷卻板的熱控制，基板的溫度也得到控制。
在另一方面，本發明專注於一種對溫度進行熱控制的方法。提供其暴露的表面區域上具有預定的表面特性的板以及具有分布的排出口和多個用於噴射流體的微噴嘴的管道。將該板連接到該管道，以致該表面特性避免與微噴嘴對準，從而不幹擾從微噴嘴噴射的衝擊噴射流。當從微噴嘴噴射流體時，流體衝擊板上由該表面特性所包圍的暴露的表面區域的位置。在這麼做時，在流體衝擊暴露的表面區域的位置處預定的表面特性維持流體的速度分布以延緩流體的速度衰減，從而增強對組件的熱控制。經由分布的排出口，移除所有的廢流體。
優選地，管道和板包括具有一致的熱膨脹係數的材料，由此在該板的暴露的表面區域上布有各種不同的預定的表面特性，以便控制該板上的各種不同的溫度。所噴射的流體可以是冷卻流體或加熱流體。該管道還可以包括多個網眼，每個網眼包括基本上位於其中央的微噴嘴。該板的表面特性具有與管道內這種網眼的設計相關聯的配置，以致這些表面特性不幹擾從微噴嘴陣列噴射的流體。此外，預定的表面特性可包括多個與管道的各個網眼對準的圓形腔、多個具有與這些網眼對準的向內凸出的翼片的圓形腔、多個翼片圖案、甚或它們的組合以滿足所期望規範。該管道還包括帶有排出孔分布的分布的排出口，該排出孔分布與多個網眼分布近似匹配。
在所附的權利要求書中特別闡明了確信具有新穎性的本發明的特證以及本發明的基本特性。附圖僅用於說明目的並且不需要按比例繪出。然而，通過參考以下結合附圖的詳細描述可以很好地理解本發明本身，包括組織和操作方法二者，在附圖中圖1A是包括液體衝擊管道的熱組件的橫截面圖，該液體衝擊管道具有流體微噴嘴陣列，其帶有連接到平面冷板的分布的排出口網絡。
圖1B是圖1A中的液體衝擊管道的頂視圖，其示出在組件內被許多分布的排出口包圍的微噴嘴。
圖2A是圖1A中的組件的一部分的橫截面分解圖，其由圖1B中的虛貫穿線A-A』來標明。
圖2B是圖2A中示出的組件部分的頂透視圖。
圖3是本發明的熱組件的橫截面圖，該熱組件具有圖1A-2B中的液體衝擊管道，其被連接到改進的具有預定的表面特性的冷板上，該預定的表面特性增強了組件的冷卻能力。
圖4A-B是本發明的組件的一部分的分解圖，其示出改進的具有預定的圓形腔表面特性的冷板。
圖5A-B是本發明的組件的一部分的分解圖，其示出改進的具有預定的圓形腔表面特性的冷板，該圓形腔帶有向內凸出的翼片。
圖6A-B是本發明的組件的一部分的分解圖，其示出改進的具有預定的被構圖的翼片的表面特性的冷板。
圖7說明與該改進的供在熱組件中使用的冷卻板的各種設計相關聯的最小壓降的繪圖。
具體實施例方式
在描述本發明的優選實施例時，這裡將參考附圖中的圖1A-7，其中相同的標號表示本發明的相同特徵。
本發明專注於用來提高單相微噴嘴冷卻器的冷卻能力而不會成比例地增加系統工作壓力的方法和結構。針對給定工作壓力的較高冷卻能力導致產生在較低的工作溫度下起作用的冷卻組件，其反過來增加了組件的可靠性和/或性能。根據本發明，一個管道被連接到板的表面，該板的表面上布有預定的表面特性。當流體噴射流衝擊板表面上由該表面特性所包圍的位置時，這種表面特性有利地延緩這種衝擊流體的速度衰減，以便增強對板的熱控制。
參考圖1A-1B，諸如半導體晶片之類的需要進行熱控制的發熱部件10經由散熱膠或焊料15連接到另一熱轉移部件，在下文中稱其為冷卻板20。使用液體衝擊管道30控制該冷卻板20的溫度，其依次控制該發熱部件10的溫度。應當意識到並理解，根據本發明可以使用任何類型的管道裝置，只要這種管道具有用於將衝擊液體噴射到需要進行熱控制的表面上的微噴嘴陣列，並且具有用來移除管道與被衝擊表面之間的廢液的包括排出孔陣列的分布的排出口，在下文中稱其為通孔排出口36。
為了易於理解本發明並且不以任何方式來限制本發明，優選的液體衝擊管道30包括在垂直目標表面的方向上穿過管道厚度的流體微噴嘴34陣列。通孔排出口36網絡也在垂直目標表面的方向上穿過管道厚度，並且與流體微噴嘴陣列相平行。該流體微噴嘴34陣列和通孔排出口36網絡被設計並配置到管道主體內的許多預定的亞毫米冷卻網眼32，其中每個流體微噴嘴34由至少3個或者更多的通孔排出口36所包圍，優選地由4個通孔排出口36所包圍。同樣地，這些冷卻網眼32具有至少3個頂點，由此排出口36位於每個頂點，這些冷卻網眼32具有基本上位於其中央的單個微噴嘴34。優選地，流體微噴嘴陣列和分布的排出口網絡在整個管道中具有基本相同的密度分布。
應當意識到並理解，冷卻網眼可具有各種尺寸和限定的幾何形狀，包括但不限於正方形、三角形等等。例如，參考圖2B，冷卻網眼32可以形成正方形網眼陣列，由此每個正方形冷卻網眼包括基本上位於其中央的由4個通孔排出口36所包圍的流體微噴嘴34。在這方面，正方形冷卻網眼中的流體微噴嘴由一個完整通孔排出口的處理功率所包圍(也即，4個具有排出口的頂點在每個頂點具有1/4的處理功率，從而給網眼提供一個完整排出口的處理功率)。作為選擇，冷卻網眼可以形成三角形網眼陣列(未示出)，由此各排出口在三角形網眼之間被分到六分之一部分，以致流體微噴嘴由一個通孔排出口的1/2的功率所包圍。因為與每個冷卻網眼具有半個通孔排出口的三角形冷卻網眼排列相比，正方形冷卻網眼對於位於給定網眼內的每個流體微噴嘴具有一個完整的通孔排出口，所以這種類型的配置是優選的；因此，針對一組給定的工作和設計條件，這種冷卻網眼還將具有較低的壓降。
儘管上面的設計僅是冷卻網眼的兩種配置，但是應當意識到，在單個管道內，冷卻網眼可以被配置為各種其他的相同和/或不相同的形狀和尺寸。使用變化形狀和尺寸的冷卻網眼的組合的好處是能夠給管道提供冷卻通量能力，其從小網眼區域中的高的熱轉移速率改變為相對較大網眼的區域中的較低的熱轉移速率。這能有利地形成具有與待冷卻目標表面所期望的冷卻耗散分布相匹配的冷卻能力的管道，從而使冷卻發熱部件所需要的總流體流最小化。例如，對於冷卻具有局部熱點的高功率晶片，具有各式形狀和尺寸的局部冷卻網眼的組合的不一致的圖案是特別有用的。
在任何冷卻網眼配置中，與比鄰的微噴嘴到微噴嘴的距離相比通孔排出口36更靠近給定冷卻網眼32中的給定流體微噴嘴34是至關重要的。同樣地，在比鄰的冷卻網眼32中的比鄰的流體微噴嘴34之間的相互作用被有效地解耦合，並且基本上或完全消除位於局部冷卻網眼之間的不期望的橫向排出口流。管道30被連接到冷卻板20，以致在管道30與冷卻板20之間形成腔35。為了使管道30的熱性能最大化，管道優選地形成為具有大約3到4個無量綱單位的無量綱最小入口微噴嘴間距(也即，兩個比鄰的入口微噴嘴的最低間距與微噴嘴液壓直徑之比)和大約2到3個無量綱單位的無量綱縫隙高度(也即，腔高與微噴嘴液壓直徑之比)。腔35中直接位於微噴嘴下的最大高度被稱為縫隙高度。
參考各圖，連接裝置25將管道30連接到冷卻板20，以便對發熱部件10進行熱控制。連接裝置25提供一種將縫隙高度限度並控制到想要的最佳水平的方法。連接裝置25可以由金屬、塑料或者陶瓷來製成，並且可用諸如粘合劑、膠、焊料等等之類的任何手段甚或它們的組合來連接到管道30和冷卻板20。作為選擇，連接裝置25可以是管道30或冷卻板20的組成部分，由此減少組件步驟的數量。
另一種控制縫隙高度的方法是使用內部帶有合適大小的墊片的粘合劑、焊料或膠來作為連接裝置25。通過使用具有低的固有導熱性和與冷卻板20的TCE緊密匹配的TCE的材料，由MLC(多層陶瓷)處理來形成管道30。例如管道可以用玻璃陶瓷材料、矽、InvarTM(一種不脹鋼)、AIN、SiC、銅、鎳等等、聚合物、塑料或者甚至它們的組合來製成。與冷卻板20的TCE相匹配的材料是優選的，因為它有利於管道30和冷卻板20之間的直接密封，特別是當管道是整體封裝的模塊時也即當管道30完全封裝了組件的腔35時，更是如此。在優選的實施例中，冷卻板20包括矽板，而管道包括具有低的固有導熱性(優選地大約2W/mK)和與矽的TCE緊密匹配的TCE(或者大約3.0E-6K-1)的玻璃陶瓷材料。
參考圖2A-2B，當管道30被連接到冷卻板20時，流體微噴嘴34從管道的頂表面以垂直於冷卻板的目標表面的流入速度提供冷卻流體。冷卻流體噴出微噴嘴並且衝擊目標表面，從而按預定的冷卻速率分布來冷卻這個表面。排出口36網絡接著以同樣垂直地離開目標表面的流出速度從直接位於冷卻板20目標表面上方的腔35移除廢棄的冷卻流體。在這麼做時，排出口36從管道的底表面吸入廢流體並且在管道30的頂表面移除廢流體。可選地，可以向管道提供橫向排出口流(未示出)用於移除整個排出口流的一小部分，其對於清洗組件和/或對於移除任何不期望的殘留物、泡沫或其他無關材料來說可能特別有用。
在圖2A-2B的熱冷卻組件中，冷卻板20具有基本平坦的表面區域。在這個組件中，由於流體是從微噴嘴34噴射到平坦的冷卻板20的目標表面上，所以其對表面的衝擊創建了具有高壓的滯止區，在該區域中流體的方向從相對於被衝擊表面的垂直方向改變成水平方向，從而創建了一個薄的壁噴嘴。在該壁噴嘴中，流體的速度在流體直接衝擊目標表面的位置的外圍上的邊界層上是最高的。由於流體從這個位置散開或展開，所以流體速度不斷地下降，因為給定流動速率的流體找到增大的流動面積去流經。與壁噴嘴速度矢量相垂直的這個區域與到噴嘴中心線的距離成比例地增加。因為熱邊界層的厚度也在增加，所以離衝擊地點越遠，流體速度就越低，並且局部熱轉移速率就越低。因此，儘管在直接位於流體噴嘴下方的被衝擊區域上熱轉移速率非常高，但是離開噴嘴中心線後這種熱轉移速率呈指數衰減。由增大的流動面積和壁摩擦的組合所導致的這種熱轉移速率的指數衰減開始於離開噴嘴中心大約0.75到1.0個噴嘴直徑的位置處。
儘管與傳統的技術相比圖1A-2B中的實施例提供了優異的冷卻能力，但是已經發現，通過提供改進的在其目標表面區域上具有預定的特別布置的表面特性的冷卻板20』，甚至可使組件在給定最大工作壓力下的的冷卻能力進一步最大化。這些預定的表面特性在流體噴嘴衝擊改進的冷卻板20』目標表面的位置處維持流體速度。通過維持流體速度，這種流體速度的衰減被延緩，其反過來最終增強整個熱冷卻組件的冷卻能力。同樣，表面特性增大了冷卻板20』與所噴射的流體相碰撞的表面區域，其通過增加冷卻速率也增強了冷卻能力。在圖3中示出了這種組件。例如，改進的具有預定的特別布置的表面特性的冷卻板20』可能具有比平坦的冷卻板20目標表面組件的冷卻能力高大約2倍或者甚至3倍的最大化的冷卻能力。
在本發明的一個方面，該改進的冷卻板是由單片初始板材料形成的。提供該初始板材料，並且接著在該初始板表面上方提供預定的圖案。該初始板優選地是矽基板。在板表面上方提供的該預定的圖案與要在得到的冷卻板20』上形成的想要的表面特性圖案相關聯。使用傳統的光刻技術，將圖案蝕刻入初始板中足夠形成想要的表面特性的深度，以便使熱冷卻組件的冷卻能力最大化。照這樣，得到的冷卻板是整體的單片結構。
例如，如果初始板大約700微米厚，則將圖案蝕刻入初始板的深度可以是從大約100微米至大約200微米，或者更深，只要蝕刻深度加上連接裝置25的厚度近似地與想要的縫隙高度相匹配。應當意識到，取決於最初的初始板基板厚度和得到的改進的冷卻板20』的最終用途(也即，用於冷卻/加熱半導體部件的熱需求)，預定的表面特性可以形成為初始基板內的各種深度。這些深度也取決於許多熱控制處理條件，其包括但是不限於從微噴嘴出口到表面特性內的目標表面24的距離、所噴射的流體壓力、被冷卻設備的加熱/冷卻需求，等等。
在另一方面，該改進的冷卻板可以是兩片結構。在本發明的這種實施例中，可以提供具有想要的厚度的初始板層，並且接著在位於初始板層上方的熱傳導第二層中形成表面特性。該初始板層和第二層可以是相同的材料或者它們可以是具有一致的熱膨脹係數的不同材料。例如，熱傳導的初始板和第二層可以包括但是不限於矽層、氮化鋁層、碳化矽層、金屬複合物層，等等。
可以直接在初始板層上方提供熱傳導第二層，隨後在第二層上方提供與要在第二層中形成的想要的表面特性圖案相關聯的預定的圖案。將該圖案蝕刻入第二層，其深度足夠形成想要的表面特性。作為選擇，可以在將第二層連接到該板層之前，優先地在第二層中形成這些想要的表面特性。一旦形成構圖的第二層，則接著將它連接到板層以形成得到的改進的冷卻板20。同樣，取決於最初的初始板基板和第二板厚度，以及得到的改進的冷卻板20』的最終用途(也即用於冷卻/加熱半導體部件的熱需求)，預定的表面特性可以形成為各種高度。這些高度還取決於許多熱控制處理條件，其包括但是不限於從微噴嘴出口到表面特性內的目標表面24的距離、所噴射的流體壓力、被冷卻設備的加熱/冷卻需求，等等。
在本發明的單片組件或者本發明的兩片組件中，以下至關重要在冷卻板20』的這樣的位置處形成或提供預定的表面特性，以致該表面特性不毀壞流體噴嘴下的流體熱邊界層，同時增加流體-壁的熱交換效率。這麼做時，在腔的壁噴嘴區中，表面特性延緩流體速度的衰減。可以在冷卻板表面形成各種不同的表面特性圖案，只要每個表面特性圖案增加冷卻組件的熱性能而不會帶來壓降的同比例增加。儘管可能存在與該改進的冷卻板20』相關聯的最小壓降，但是由於該改進的冷卻板20』的附加的表面區域的原因這種壓降即便有也是不顯著的，其保持冷卻板目標表面上方的流體循環路徑。儘管該附加的表面區域與表面特性圖案的高度成比例，由此引起熱性能的增加，但是這個附加的面積也增加了腔35內的壓降。具有最小壓降增大的優化設計需要一表面特性高度，其是表面特性平面圖案的函數，因為如果這些圖案中的一些圖案垂直方向的尺寸具有整個縫隙高度則它們將不能正常工作。如果根據規定的壓降預算100％高度不可行，則優選的表面特性圖案設計具有的圖案高度將大於縫隙高度的30％但小於縫隙高度的80％。
參考圖4A-4B，初始基板可以在基板表面上提供有許多預定的圓形腔21』的表面特性。在對應著各個冷卻網眼32的位置處形成每個圓形腔21』，以致給冷卻板基板提供與位於熱管道30中的冷卻網眼32的數量相同的圓形腔21』。通過使用分布的排出口網絡以及管道的微噴嘴陣列的設計參數，在冷卻板基板中形成圓形腔21』，以致當將管道30連接到改進的冷卻板20』時，每個冷卻網眼32與單個圓形腔21』對準。圓形腔21』基本上位於冷卻網眼32的中央，冷卻網眼32的單個微噴嘴34基本上位於圓形腔21』的中央。
工作中，流體從微噴嘴34噴射並且直接衝擊圓形腔21』內的冷卻板表面24』。當衝擊時，流體在圓形腔21』內循環，以致在流體衝擊圓形腔21』內的冷卻板表面24』的位置處流體熱邊界層和流體速度基本上被維持住，隨著壁噴嘴的發展將帶來隨後的熱邊界層膨脹，並且接著通過流體速度方向的突然改變，其在垂直壁的底部處再次減小，該垂直壁限定了圓形腔21』。由於流體移動出腔的側壁，所以垂直於壁噴射速度矢量的面積沒有任何進一步的膨脹；因此，壁噴嘴衰減不再因流動面積的改變而加速，因此比在平板的情況下維持了有利的較高的熱轉移速率。該向上的流體流也增強了由輸入流體噴嘴所創建的流體循環。有利地，在表面特性中維持流體循環使組件中的任何壓降增加最小化，同時增加流體的混合併促進與被加熱表面的熱交換。隨著流體被不斷地噴射，流體渦流在圓形腔21』內形成，其向上伸展超過改進的供進一步冷卻用的冷卻板20』的頂表面22』，並且最終由排出口36從組件中排盡。圓形腔21』的表面特性給冷卻板20』增加了表面區域，並且同樣地，增加的表面區域結合在流體衝擊的位置處所維持的流體速度極大地增加熱轉移係數以使熱性能最大化，同時控制了熱冷卻組件內的熱通量分布。
作為一種可供選擇的方法，圓形腔21』可形成為帶有向內凸出的翼片23』，如在圖5A-5B中所示。使用傳統的光刻技術，通過構圖並且用這種圖案來蝕刻初始基板，可以形成冷卻板主體的這些帶有向內凸出的翼片23』的圓形腔21』。翼片23』伸進圓形腔21』中的量足夠用來維持圓形腔內的流體循環，而且同時增加了與流體流相衝擊的暴露的冷卻板20』的表面區域，以進一步增加組件的熱轉移係數。優選地，翼片23』不位於流體將衝擊冷卻板表面24』的位置。例如，翼片23』向圓形腔21』內的伸展離衝擊流體將衝擊冷卻板表面24』的圓周的距離可以高達大約1/2的微噴嘴34直徑。就是說，在微噴嘴34具有可測量的直徑的情況下，翼片23』向圓形腔21』的伸展離圓形腔21』中央的距離可以近似1整個噴嘴直徑，該圓形腔21』中央也是流體將衝擊冷卻板表面的中央位置。這麼做時，具有翼片的圓形腔內的流體循環不會被毀壞，以致組件內的任何壓降被保持在最小。另外，可以用下述方式來裁剪翼片23』使與壁噴嘴速度矢量相垂直的面積近似保持恆定並且與靠近翼片前沿(相對於壁噴嘴流矢量)的面積相等，從而再次延緩壁噴嘴在熱轉移速率方面的指數衰減，並且保持噴嘴周圍的流體循環圖案。因此，翼片23』促進熱的表面與流體渦流之間的額外的熱轉移，因為流體渦流的高速部分流經翼片所包圍的體積。
參考圖6A-6B，示出了本發明的另一種改進的冷卻板20』，其具有預定的只有多個構圖的翼片結構23』的表面特性。同樣，使用公知的光刻技術在初始基板內形成這些翼片結構23』，以提供本發明的改進的冷卻板20』。翼片23』優選地不伸進流體的衝擊噴嘴流將衝擊冷卻板表面24』的位置，並且因此不會毀壞流體噴嘴下的流體熱邊界層。優選地，翼片圖案中的每個翼片23』距離冷卻網眼32的中央(其也是流體將衝擊的改進的冷卻板20』的表面24』的位置的中央)至少0.75個微噴嘴直徑。此外，如果翼片間的間隔使流動面積近似地保持恆定為到噴嘴中央的距離的函數，則翼片的設計外形是最優的。就像圓形腔實施例中的那樣，翼片圖案維持在流體噴嘴衝擊目標表面24』的位置處的流體速度而不會帶來壓降的相同比例的增加，以便由此增強熱冷卻組件的冷卻能力。僅翼片23』的表面特性甚至進一步增加了冷卻板20』的暴露的表面區域，由此與那些具有圓形腔21』的實施例相比使組件內的熱轉移能力進一步最大化。
一旦本發明的改進的冷卻板20』已經被製成，則將冷卻板20』永久地或者非永久地連接到管道30以形成單個管道-冷卻器組件。就是說，改進的冷卻板20』是流分布系統的組成部分。冷卻板20』可以在其所有邊沿處連接到熱管道30以形成完全封裝的管道-冷卻器組件，或者作為選擇，在連接組件中可以保留開口或縫隙用於在組件內引進其他處理線。管道-冷卻器組件接著經由連接裝置15連接到發熱部件10(例如半導體晶片)，以便監視並控制發熱部件10的熱條件。
因此，該具有改進的冷卻板的熱組件同時使熱系統的可靠性和熱性能得到最大化。例如，下面的圖表說明多個具有本發明的各種預定的表面特性的不同的改進的冷卻板(也即網眼設計A至J3)的熱性能，這些冷卻板在這種流體衝擊冷卻板表面上方與管道的冷卻網眼相關聯的表面特性區的中央處的區域上方維持所噴射的噴射流體，以增強組件的冷卻能力。取決於預定的表面特性，這些設計還具有各種暴露給所噴射流體的冷卻板表面區域的量。下面的圖表還示出具有平坦表面的平坦參考冷卻板(「Ref-1和Ref-2」)的熱性能。
在上面的表中，術語Vjet被稱作平均噴射速度，並且術語heq是使用平板的標稱面積作為參考的等效熱轉移係數。
如上所述，本發明的其表面上具有表面特性的冷卻板可以具有最大化的熱轉移係數和冷卻能力，可以達到比平坦參考冷卻板的熱轉移係數和冷卻能力高大約5倍，而同時實現如圖7的繪圖中所示的最小壓降，同時相對於在諸如Ref-1和Ref-2設計之類的具有平坦表面的冷卻器中的壓降，優選地保持壓降增加低於10kPa到15kPa。所介紹的熱組件可適於對標準IC產品進行超過大約400W/cm2的冷卻，並且可適於對薄IC提供大於大約850W/cm2的冷卻。
例子為了測試本發明的分布系統，測試了多個具有改進的帶有表面特性的冷卻板的熱組件並且將其與具有帶平坦表面區域的冷卻板的組件作比較。所有測試的組件包括200um厚的矽基，其帶有入口/出口直徑大約為70um的250um×250um的冷卻網眼尺寸。用水作為冷卻流體，其具有3m/s的微噴嘴速度並且入口溫度是大約20℃。基底的通量是大約1000W/cm2，而冷卻板與管道的入口/出口陣列之間的縫隙大約為150um。使用所計算的對流係數，在具有45℃的熱預算的整個0.4mm矽厚度(晶片+基板)以及具有k＝3W/mK的5μm的TIM上估計參考冷卻能力(「q-ref」)。
下面示出這些組件的熱性能，由此網眼類型包括具有平坦冷卻板表面的參考網眼(「Ref-2」)、具有第一表面特性圖案(例如，圖4A-B的圓形腔圖案)的第一網眼(「Cell 1」)、具有第二表面特性圖案(例如，圖5A-B的帶有翼片圖案的圓形腔)的第二網眼(「Cell 2」)、和具有第三表面特性圖案(例如，圖6A-B的翼片圖案)的第三網眼(「Cell 3」)。如所示範的那樣，取決於預定的表面特性的配置，以及在本改進的冷卻板中暴露給所噴射流體的冷卻板表面區域(例如，在網眼3中)越大，則組件的熱轉移係數和冷卻能力就越高和越好，同時能夠實現較低的工作溫度和最小壓降。
儘管使用水作為冷卻流體來完成上面的例子，但是應當意識到並理解，在所介紹的熱組件中可以使用各種其他公知的冷卻材料。對於高熱轉移速率而言流體是優選的，因為基本上流體具有比氣體高的熱轉移係數。然而，在本管道中也可採用液體金屬和氣體來冷卻發熱部件的表面。
應當理解並意識到，當加熱/冷卻多個熱設備時，可以使用所介紹的單個具有各種預定的表面特性的改進的冷卻板或者使用具有對應的預定的表面特性的多個改進的冷卻板來作為需要進行熱控制的設備。可以在整個目標表面區域上以連續相同的方式加熱和/或冷卻所介紹的改進的冷卻板的目標表面區域，或者作為選擇，可以對其進行不均勻加熱和/或冷卻。在對目標表面區域進行不均勻加熱和/或冷卻的情況下，改進的冷卻板的表面特性可以被設計並配置成基於包括但是不限於分層、材料、尺度、參數等等的各種表面特性，以不同的速率且在不同的處理條件下冷卻、加熱或同時冷卻和加熱目標表面的不同面積。這樣，可向改進的冷卻板提供各種不同的用於加熱/冷卻多個不同類型的熱部件的表面圖案，或者在連接到該改進的冷卻板的熱部件上提供不同的表面特性。例如，本發明的這種改進的冷卻板對於冷卻和/或加熱多晶片模塊而言是理想的。
儘管已經結合具體的優選實施例特別地描述了本發明，但是顯然，根據前面的描述，對於本領域的普通技術人員而言許多備選方案、修改和變型是顯而易見的。由此認為所附的權利要求書將包括屬於本發明的真正範圍和精髓中的所有這種備選方案、修改和變型。
權利要求
1.一種熱分布組件，其包括在其表面上具有表面特性的板；所述板和所述表面特性的暴露的表面區域；連接到所述板的管道，所述管道具有至少一個微噴嘴陣列和至少一個分布的排出口陣列；位於所述管道和所述暴露的表面區域之間的腔；由此所述微噴嘴陣列噴射流體，並且在所述腔的壁噴嘴區內，所述板的所述表面特性延緩所述流體的速度衰減，以便增強對所述組件的熱控制。
2.根據權利要求1所述的組件，其中所述板和所述表面特性包括相同的材料。
3.根據權利要求1所述的組件，其中所述板和所述表面特性包括具有一致的熱膨脹係數的不同材料。
4.根據權利要求1所述的組件，其還包括發熱部件，其連接到所述板，以便控制所述發熱部件的溫度。
5.根據權利要求1所述的組件，其中所述表面特性的表面區域的增大增加了對所述組件的所述熱控制。
6.根據權利要求1所述的組件，其中所述表面特性位於所述板的所述表面上這樣的位置，以致所述表面特性保持將由所述微噴嘴創建的流體渦流在所述腔內。
7.根據權利要求1所述的組件，其在所述管道內還包括多個網眼，其中每個網眼包括基本上位於其中央的微噴嘴，由此所述表面特性具有對應於所述多個網眼的配置以致所述表面特性不幹擾從所述微噴嘴陣列所噴射的所述流體。
8.根據權利要求7所述的組件，其中所述表面特性包括多個圓形腔，所述圓形腔中的每個圓形腔與單個網眼對準。
9.根據權利要求8所述的組件，其中所述多個圓形腔還包括向內凸出的翼片。
10.根據權利要求7所述的組件，其中所述表面特性包括多個翼片圖案，所述翼片圖案中的每個翼片圖案與單個網眼對準。
11.根據權利要求1所述的組件，其中所述表面特性具有範圍從所述腔的高度的大約30％至大約80％的高度。
12.一種用於熱轉移的系統，其包括具有第一表面和第二表面的板，所述第二表面具有位於其上的表面特性；被連接到所述板的所述第一表面的、需要調節溫度的基板；被連接到所述板的所述第二表面的管道，所述管道具有微噴嘴陣列和至少一個分布的排出口陣列；位於所述管道與具有所述表面特性的所述板的所述第二表面之間的腔；由此所述微噴嘴將流體噴射入所述腔中用於接觸所述板的所述第二表面，同時所述板的所述第二表面上的所述表面特性延緩所述流體的速度衰減，以便對所述基板的所述溫度進行熱控制。
13.一種用於熱控制的方法，其包括提供一個板；在所述板的表面上提供表面特性；提供一種具有微噴嘴陣列和至少一個分布的排出口陣列的管道；通過將所述板的所述表面連接到所述管道使得所述表面特性避免與所述微噴嘴對準而構成一種組件；從所述微噴嘴陣列噴射流體；在由所述表面特性所包圍的所述表面區域的位置處讓所述流體與所述板接觸，由此所述表面特性延緩所述流體的速度衰減，以便增強對所述組件的熱控制；以及經由所述至少一個分布的排出口陣列移除廢棄的所述流體。
14.根據權利要求13所述的方法，其中在初始板材料中形成所述表面特性，以致所述板和所述表面特性包括單片結構。
15.根據權利要求13所述的方法，其中在所述板的表面上提供所述表面特性，所述板和所述表面特性包括具有一致的熱膨脹係數的材料。
16.根據權利要求13所述的方法，其中所述板的所述暴露的表面區域上布有各種不同的表面特性，以便使用所述流體或多種不同流體來控制所述板表面上的各種不同的溫度。
17.根據權利要求13所述的方法，其在所述管道內還包括多個網眼，每個網眼包括基本上位於其中央處的微噴嘴，由此所述表面特性具有對應於所述多個網眼的配置以致所述表面特性不幹擾從所述微噴嘴陣列所噴射的所述流體。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述表面特性包括多個圓形腔，所述圓形腔中的每個圓形腔與單個網眼對準。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述多個圓形腔還包括向內凸出的翼片。
20.根據權利要求17所述的方法，其中所述表面特性包括多個翼片圖案，所述翼片圖案中的每個翼片圖案與單個網眼對準。
全文摘要
一種用於熱控制的分布裝置、系統和方法，其中管道組件的板的表面上的特定位置處具有預定的表面特性，以便增強組件的冷卻能力。板的預定的表面特性延緩衝擊板表面的流體的速度衰減，同時還增加板暴露給衝擊流體的表面區域，其反過來同時使整個熱系統在給定最大工作壓力下的可靠性和熱性能最大化。
文檔編號G12B15/04GK101048057SQ20071008607
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月8日 優先權日2006年3月30日
發明者R·J·貝贊瑪, G·納塔拉賈 申請人:國際商業機器公司